膜生物反应器中污泥龄对膜污染的影响

陈子亮

摘要    试验以跨膜压差作为宏观角度，以扫描电子显微镜和原子力显微镜作为微观角度，研究了15、30、45 d污泥龄下膜生物反应器中膜污染的情况。结果显示，SRT为30 d时，跨膜压差的平均上升速率最小，并且膜表面的粗糙度Ra和Rq值最小，且污泥龄为30 d时，膜污染最轻。同时，SRT在一定程度的改变不会对膜生物反应器的出水水质产生影响。

关键词    膜生物反应器;污泥龄;膜污染

中图分类号    X703.1        文献标识码    A

文章编号   1007-5739（2019）22-0112-03                                                                                     开放科学（资源服务）标识码（OSID）

近年来，由于国家水质标准的提高，越来越紧缺的水源和水的供应，以及竞争成本的提高，膜生物反应器（MBR）系统已经成为公认的最有效的生活污水处理技术[1-3]。然而，膜污染是膜生物反应器运行、扩建和升级改造的最大弊端。膜污染导致膜通量锐减、操作运行压力急剧增长，同时增加清洗和更换膜组件的频率。因此，选择最佳的操作运行条件是提高MBR效率的直接途径[4-9]。

膜生物反应器设计上实现了污泥龄（SRT）和水力停留时间的分离。TIAN Y等[10]用修改的黏附侵蚀模型（AE-模型）评估膜生物反应器活性污泥絮体的稳定性时发现，SRT越长，污泥絮体越稳定;SRT越短，污泥絮体中的胞外聚合物（EPS）含量越高，丝状菌越多。污泥絮体大小、混合液污泥浓度（MLSS）、EPS含量等都是影响MBR膜污染的重要因素，且与MBR的SRT密切相关[11]。

本试验主要通过扫描电镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）从微观角度研究SRT对膜污染的影响。

1    材料与方法

1.1    试验装置

试验装置为浸没式膜生物反应器，容积为10 L。膜组件采用天津膜天公司的帘式中空纤维膜。膜材料为PVDF改性膜，膜面积0.1 m2/支，纤维外径1.0 mm，内径0.65 mm，膜孔径0.22 μm。反应器水力停留时间为8 h。活性污泥取自徐州某污水二沉池回流污泥驯化培养后开始运行，连续运行90 d。本试验分3个阶段运行。第一阶段连续运行15 d，SRT为15 d;第二阶段连续运行30 d，SRT为30 d;第三阶段连续运行45 d，SRT为45 d。当膜组件跨膜压差达到30 kPa会更换，同时调整SRT后也会更换膜组件。

1.2    试验用水

根据实际生活污水配制试验用水。COD、氨氮、总氮、总磷的浓度分别为380～420、37～46、52～58、4～6 mg/L，pH值為6.7～8.2。

1.3    分析方法

COD、氨氮、总氮、MLVSS和MLSS等采用标准方法测定[12]。膜表面的微观污染情况通过扫描电镜和原子力显微镜来观测。膜表面的宏观污染情况通过跨膜压差（TMP）来表现。

2    结果与分析

2.1    不同污泥龄对出水水质的影响

不同污泥龄下，膜生物反应器出水水质情况如图1所示。可以看出，COD处理效果在不同污泥龄下变化很小。15 d的污泥龄下，COD的处理效率为93%～95%，出水COD浓度在15～25 mg/L之间，达到污水排放一级A的标准。在SRT为30 d和45 d时，COD的处理效率以及出水COD浓度同在15 d的SRT下没有很大的波动。这说明污泥龄的调整对于膜生物反应器的COD处理效果没有很大的影响。15 d的污泥龄下，氨氮和总氮的处理效率分别为88%～92%和80%～87%，出水氨氮和总氮浓度同样达到污水排放一级A的标准。在SRT为30 d和45 d时，氨氮和总氮的处理效率以及出水氨氮和总氮的浓度同在15 d的SRT下没有很大的波动。因此可以得出，SRT在一定程度上的改变不会对膜生物反应器的出水水质造成很大的影响。这也与前人的研究结果相同[13-15]。

2.2    不同污泥龄下TMP变化情况

在不同污泥龄下，跨膜压差随时间变化情况如图2所示。可以看出，15 d、30 d和45 d的污泥龄下，TMP平均上升速率为（1.94±1.14）、（1.26±0.56）、（1.50±1.10）kPa/d。在污泥龄为15 d时，膜污染速率最快，其次是污泥龄为45 d时，而污泥龄为30 d时膜污染最轻。肖  椿等[15]通过研究不同污泥龄下SMP对膜污染的影响时发现，随着SRT的延长，上清液中SMP高分子量组分所占比例升高。而高分子量有机物是造成膜污染的主要因素。在短SRT下SMP产生最严重膜污染的原因主要在于膜污染层内高分子量的多糖含量最高。还有学者研究表明，SRT更长时，膜生物反应器中污泥粒径也就越小[16-17]。而当污泥粒径与膜孔孔径比较接近时，则会造成严重的膜污染[18]。这也可以解释45 d的SRT下膜污染反而比30 d下的膜污染更加严重。因此，在膜生物反应器运行过程中，要选择适当的SRT，保证反应器能正常稳定持续运行。

2.3    不同污泥齡下的膜表面结构、形貌及粗糙度变化

不同污泥龄下膜表面扫描电镜图像如图3所示。可以看出，没有被污染的原膜表面纹理清晰。而在15 d污泥龄下被污染后的膜表面则会看出明显的沟壑，膜表面沉积了部分污染物，污染物黏附于致密的膜表面，故膜面呈现凹凸不平。30 d的污泥龄下，污染情况则要比15 d的要好一点，膜表面与原膜表面形貌基本相同。45 d的污泥龄下，同样可以看到膜表面黏附一层致密的污染物，膜表面已经看不出原膜的形貌。

不同污泥龄下膜表面原子力显微镜图像如图4所示。可以看出，原膜的Rq值与Ra值分别为48.6 nm和35.1 nm。SRT为15、30、45 d时的Rq值分别为95.6、75.0、58.6 nm，Ra值分别为47.1、68.2、54.2 nm。SRT为15 d时，膜表面粗糙度最高;其次是SRT为45 d时;而SRT为30 d时，膜表面粗糙度最低。这与跨膜压差的变化趋势（图2）以及SEM图像（图3）均完全符合。

前人研究发现，SRT会直接影响膜生物反应器内部的Zeta电位、SVI、EPS含量及其各组分的含量[19-23]。曹占平等[22]研究SRT对膜生物反应器内部EPS及其各组分的影响时发现，SRT增大会导致EPS中松散附着胞外聚合物（LB）中的蛋白质和多糖的含量增加，这就会导致Zeta电位下降以及大分子有机物外延，从而产生更多的微小絮体及造成SVI上升。当污泥龄为15 d时，膜生物反应器内污泥负荷高，所以跨膜压差会上升得很快，同时会在膜表面吸附一层致密的污染。当污泥龄为45 d时，此时微生物营养匮乏，内源呼吸加剧，EPS增加，LB中多糖和蛋白质含量上升，产生更多的微小絮体[24]。同时，细菌也由不稳定R形态转化成稳定的S形态，污泥颗粒粒径也不断变小。从而会出现图3（d）与图4（d）中膜表面沉积一层厚厚的污染物，造成严重的膜污染。当污泥龄为30 d时，此时TMP的平均增速以及膜表面粗糙度相对于其他2个条件下的膜生物反应器的状况要好一点。这是由于SRT的改变会直接影响反应器内部其他诸多因素的改变。而在SRT为30 d时，反应器内部的Zeta电位、EPS含量以及其各组分的含量、细菌的存在状态以及污泥混合液的性质等都可以保持在一个相对平衡的状态[10，22-23，25]。因此，控制合适的SRT对膜生物反应器更加经济稳定的运行十分重要。

3    结论

（1）SRT在一定程度上的改变不会对膜生物反应器的出水水质造成很大的影响。

（2）SRT在30 d左右时，膜生物反应器的膜表面粗糙度比SRT为15 d或者45 d时更小，膜污染程度更轻。

4    参考文献

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